塑料后防撞横梁的选材及设计开发

陈伊宁 贺丽丽 张浩悦 苏一畅 熊建民 王纳新 牛丽媛 沈长海

摘 要：文章以某款车型为例介绍塑料后防撞的设计开发过程。文章系统性地对三种材料的性能、成本、轻量化效果、应用成熟度等进行综合对比，确定塑料后防撞梁选材方案为GMT（Glass Mat reinforced Thermoplastics）材料;随后根据材料特性及零件要求进行结构设计，并根据CAE分析结果对结构进行优化，避免了应力集中，对局部补强从而提高强度，开发了满足性能要求的GMT后防撞梁。开发的GMT后防撞梁方案可减少生产工序，具有良好的轻量化效果。同时在此过程中积累了防撞梁设计开发的经验：拖钩结构的布置位置对后防撞梁性能影响很大，布置位置不合理将会导致拖钩强度不足，拖钩结构位置要避免直接集成在塑料后防撞横梁上。关键词：GMT;后防撞梁;设计开发中图分类号：U445  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2019）01-152-03

The design and development of plastic rear collision beam

Chen Yining， He Lili， Zhang Haoyue， Su Yichang， Xiong Jianmin， Wang Naxin， Niu Liyuan， Shen Changhai

（ Zotye Automotive Engineering Research Institute， Zhejiang Hangzhou 310000 ）

Abstract： In this paper， a certain automotive model was taken as an example to describe the design and development process of the rear collision beam. First， on the basis of systematically comparisons of performances， costs， effects of lightweight， degrees of maturation of three materials， the Glass Mat reinforced Thermoplastics （GMT） was chosen. Then， based on the properities of GMT， the rear collision beam which met the performance requirements was designed after the CAE analysis and optimization. The GMT rear collision beam designed can reduce the production process and contribute to the automotive weight reduction. At the same time， experience in the design and development process has been accumulated： the layout position of the drag hook structure has a great impact on the performance of the rear collision beam， the unreasonable layout position will lead to insufficient strength of the drag hook， so that the position of the drag hook structure should be avoided to integrate directly into the rear collision beam.Keywords： GMT; rear collision beam; design and development processCLC NO.： U445  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2019）01-152-03

前言

后防撞梁傳统的材料为钣金材料，与之相比，塑料后防撞梁的应用具有以下优点：1.具有轻质、抗冲击、易成型等特点，轻量化效果达46%-55%，能有效提升燃油经济性;2.集成后保横梁、后保横梁安装板、后保横梁连接板等9个左右冲压件，减少生产工序、降低公差累积，提高装配效率;3.塑料后防撞梁在车辆发生低速碰撞时具有良好的吸能效果，能有效减小对车辆及人员的损害，且碰撞后形状可以恢复至原状态;而金属防撞梁在被碰撞后，可能发生塑型变形，无法自行回弹^[1-4]。

由于塑料后防撞梁的应用存在如此多的优点，因此各大主机厂也正在积极开发应用。例如国内自主品牌吉利（博越、帝豪）、江淮（S3），合资品牌起亚（K3）、现代（途胜、悦动）、雪佛兰（科鲁兹）、Jeep（自由侠）等。众泰作为自主品牌后起之秀，也在积极开展塑料后防撞横梁的开发工作。

本文以某款车型为例，首次系统地对塑料后防撞进行选材分析，确定最佳材料。再根据选定的材料特性进行结构设计，通过CAE仿真分析及结构优化完成开发，开发的后防撞梁性能满足使用要求并取得良好的减重效果。

1 选材分析

通过调研，我们发现目前市场上塑料后防撞梁方案有GMT、PC+PBT、和LFT-D三种方案，据调研GMT目前应用车型较多，成熟度最高，同时PC+PBT也有成功应用案例，例如吉利帝豪等，而LFT-D为新兴方案，尚不成熟，故选取PC+PBT和GMT两种方案做对比分析。

1.1 性能分析

选取两种典型的塑料后防撞后梁材料牌号做对比，两种材料的基础性能参数见表1，从表1中可以看出，GMT材料各项性能均优于PC+PBT材料，其具有以下优点：（1）强度高，成型产品可达到传统钣金性能要求;（2）具有较高的冲击韧性，承载性好;（3）具有较高的抗高温变形的能力。

1.2 成本、轻量化效果分析

我们将2种复合材料方案与传统方案的轻量化效果与成本进行对比分析，具体结果见表2。从轻量化效果来说，2种复合材料方案的减重均比较明显，均在45%以上，2种方案之间减重效果相差不大，GMT后防撞梁减重比略高。然而将2种方案的价格与传统方案进行对比，可以发现GMT方案比传统方案增加30元/件左右，而PC+PBT方案的成本增加119元/件。因此从轻量化效果及成本方面考虑，GMT方案较为合适。

2 结构设计

常见的后防撞横梁结构为C型和反C型，C型结构强度比较高，发生碰撞时对车身后结构的保护作用较其它结构更显著^[5]。防撞横梁的布置需要考虑各种法规试验规范要求，还应尽可能有效地保护车身其它部件。结合之前的各种低速碰撞要求，后防撞横梁的布置需要考虑的因素主要有：后防撞横梁中心离地高度、后防撞横梁横的长度（Y向）、后防撞横梁距后保蒙皮等部件的距离、后防撞横梁距后备箱盖边缘距离、后防撞横梁距后尾灯表面距离等^[6]。

根据材料性能、后防撞梁的性能要求及常见的结构，结合具体车型定位，设计形成C型后防撞梁结构，具体设计见图1。该款塑料后防撞梁主要结构有：（1）后保防撞梁本体;（2）托钩螺纹管;（3）托钩螺纹管安装板，螺纹管通过螺纹管安装板螺接的方式固定到防撞梁本体上，防撞梁通过六角法兰面螺母安装到后地板纵梁安装板上。

該款GMT后防撞横梁的与其他塑料后防撞横梁的主要区别在于：受安装位置限制，后防撞横梁上集成了拖车安装结构，且其拖车安装结构不在安装孔区域范围内。因此除了要满足后碰的吸能要求外，同时要求在不同工况条件下，GMT材料在拖车过程中要有足够的强度不致于破坏。对于此种塑料后防撞横梁，拖车位置的强度性能要求较高。

3 CAE分析及结构优化

接着进行CAE分析，验证结构设计合理性。塑料后防撞梁方案CAE分析主要包括碰撞安全分析（低速碰撞分析）和后拖钩强度分析，涉及标准主要为GB 17354-1998《汽车前、后端保护装置》、GB 32087-2015 《轻型汽车牵引装置》。

3.1 碰撞安全分析

碰撞安全分析主要包括低速后正面碰撞、低速后偏置Y+300碰撞、低速60°后碰撞三方面。根据设定的边界条件，对3种工况进行分析，具体结果见图2。从图中可以看出：①低速（4km/h）后正面碰撞过程中，碰撞器离后背门最小距离为21.52mm，后背门可以正常开闭，满足要求;②低速（4km/h）后偏置Y+300碰撞过程中，碰撞器离后背门最小距离为22.51mm，后背门可以正常开闭;③低速（2.5km/h）60°后碰撞过程中，车辆的后背门在碰撞的作用下可以正常打开;车辆的后尾大灯在碰撞的作用下不会破坏，可以正常工作;在碰撞过程中保险杠上部分不会发生破坏，下部分发生局部点破坏。

3.2 后拖钩强度分析

对后拖钩强度的分析见表3，根据不同工况的受力分析及结构应力分布，从蔡-吴变量和后防撞横梁的应力来看，沿X轴偏左25°正向、沿X轴偏左25°负向、沿X轴偏上5°正向、沿X轴偏上5°负向这4个工况的超出要求，存在风险。因此需要通过调整后防撞横梁关键位置以及传力路径上的料厚分布以及加强筋板的布置，优化后防撞横梁结构，提升抗拉拽强度。

3.3 结构优化

针对后拖钩强度问题将结构进行优化，主要优化点为4个，如图3所示：第1、2处位置修改过渡面，使其过渡平滑，从而减少应力集中;第3处位置增加并调整加强筋，第4处位置调整安装孔处的料厚从而加强安装孔处的强度，通过优化后，再次进行CAE分析，验证结构是否合适。

从优化后的后拖钩强度CAE分析中（表4）可以看出，优化后的结构的蔡吴变量均满足要求，因此可以证明优化后的结构满足后防撞梁性能要求。

4 经验总结

通过该项目我们总结经验如下：后拖钩结构的布置位置对性能影响很大，布置位置不合理将会导致拖钩强度不足。拖钩结构位置要避免直接集成在塑料后防撞横梁上，该种设计对塑料后防撞横梁强度要求较高，在拖钩拉的过程中，塑料后防撞横梁位移较大，局部区域存在应力集中。拖钩位置一般可以采用如下三种布置方式：（1）直接布置在车架后纵梁上;（2）布置在地板上，但该种方案减重效果不好，需增加加强版补强;（3）集成在塑料后防撞横梁上，但必须保证在安装孔区域范围内。

5 结论

GMT材料在后防撞梁上的应用可提高集成性，减少工序，具有更好的行人保护效果，轻量化效果明显，已成为以塑代钢以达到节能减排的有效途径。本文以众泰某款车型为例，首次系统地对塑料后防撞进行选材分析，确定最佳材料，同时介绍了众泰塑料后防撞梁的设计开发过程，总结了后脱钩位置布置的设计开发经验。

参考文献

[1] 崔益华，陶杰.GMT片材及其在汽车工业中的应用[J].汽车工艺与材料， 2003（4）：16-19.

[2] 顿栋梁，宋发宝，程康，等. GMT材料的制备工艺及其在汽车轻量化方面的应用研究[J].汽车工艺与材料，2015（11）：51-54.

[3] 赵勇.新型复合材料在保险杠缓冲梁中的应用[J].上海汽车，2010 （1）：41-44.

[4] 雷绍阔，钟国留，刘伟.浅论复合材料在汽车上的应用[J].上海塑料， 2017（2）：8-12.

[5] 李书利.GMT材料在汽车后防撞梁上的应用[J].汽车工艺与材料， 2010（4）：54-56.

[6] 郑明敏.一款SUV塑料后防撞梁设计方法[J].汽车实用技术， 2017（24）：49-51.